Equipe Glycobiologie Marine

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Glycobiologie Marine

Les macroalgues marines ont des cellules entourées par une paroi dynamique, complexe, et riche en polysaccharides. Les composés constitutifs sont originaux et n’ont aucun équivalent chez les plantes terrestres. Ces polysaccharides sont pour la plupart anioniques, très souvent sulfatés. Les polysaccharides majeurs constituent une source d’agents gélifiants et/ou de produits à haute valeur ajoutée pour l’industrie (i.e. alginates et fucanes chez les algues brunes, agars et carraghénanes chez les algues rouges). En revanche leur structure fine, les composés mineurs de la paroi ainsi que leurs arrangements moléculaires et interconnections restent méconnus. De même, ces polysaccharides jouent des rôles clés dans de nombreux processus physiologiques chez ces organismes mais leurs voies de biosynthèse et bases fonctionnelles sont largement inexplorées.

Par ailleurs, la biomasse de ces parois de macroalgues représente une source de carbone importante pour la microflore associée. En effet, des bactéries hétérotrophes marines se sont spécialisées dans la dégradation et l’assimilation de ces polysaccharides d’algues, mais les bases moléculaires des interactions macroalgues-bactéries marines sont encore peu explorées.

Pour répondre à ces questions, nos recherches s’articulent principalement autour des deux axes suivants :

Axe 1. Biologie et biosynthèse des polysaccharides de paroi chez les algues marines

Axe 2. Biologie intégrative des bactéries marines associées aux algues et dégradation des polysaccharides marins

 

Axe 1. Biologie de la paroi chez les algues marines

I. Biochimie des enzymes impliqués dans la biosynthèse des polysaccharides d’algues

Les analyses des premiers génomes de macroalgue brune (Ectocarpus; Cock et al., Nature, 2010) et rouge (Chondrus crispus; Collen et al, PNAS, 2013) ) nous renseigne sur l’origine et l'évolution du métabolisme des carbohydrates chez les eucaryotes. Ces analyses bioinformatiques et phylogénétiques ont révélé des originalités et des nouvelles enzymes potentiellement impliquées dans la biosynthèse spécifique des polysaccharides des parois d’algues (Michel et al, New Phytol, 2010a&b ; Collen et al, 2013). Nous étudions ces voies métaboliques de biosynthèse des polysaccharides en intégrant des approches de bioinformatique, de biochimie et de biologie structurale. Les questions fondamentales des fonctions biologiques seront abordées en interaction avec les équipes de l'unité travaillant sur la biologie et la physiologie des macroalgues brunes et rouges.

II. Biologie et dynamique de la paroi chez les algues marines  (PI Cécile Hervé)

Les algues marines et les plantes terrestres partagent des traits évolutifs convergents, tels que la multicellularité et une paroi cellulaire riche en polysaccharides. Ces deux aspects sont intrinsèquement liés, puisque le développement d’une paroi adhérente a permis le passage d’une cellule autonome à l’apparition d’organismes multicellulaires. En étant phylogénétiquement distants des plantes terrestres, les algues marines constituent donc des modèles alternatifs intéressants pour l’étude des mécanismes fondamentaux du développement chez les eucaryotes. Alors que nous avons une connaissance exhaustive des structures fines des composés de paroi chez les plantes vertes et de leurs fonctions biologiques, l’équivalent n’est pas vrai chez les macroalgues marines.

Mes recherches portent sur les fonctions biologiques des parois chez les macroalgues marines. Les algues brunes sont actuellement mes modèles d’intérêt. Chez Fucus, j’étudie le rôle de la paroi dans l'établissement de l’axe de polarité au cours de la première division cellulaire. Chez l'algue filamenteuse Ectocarpus, j’étudie le rôle de la paroi lors de l’expansion et de la différentiation cellulaire, ainsi qu’au cours des phases de transition au sein du cycle de vie. Je m'intéresse également à comprendre les variations de la composition de la paroi en réponse à des changements environnementaux, tel que le changement de salinité.

Les polysaccharides de paroi sont localisés in situ par des techniques d'immunohistochimie couplées à la microscopie à fluorescence ou électronique. Dans ce cadre nous développons des sondes qui reconnaissent spécifiquement nos polysaccharides marins, avec : i) des  protéines recombinantes spécifiques et provenant de bactéries marines (produites et exprimées de façon hétérologue dans l'équipe) et ii) des anticorps monoclonaux dirigés contre des épitopes caractéristiques de ces polysaccharides marins (en collaboration avec le Prof. Paul Knox à Leeds, UK). Nous œuvrons également à obtenir une vision plus exhaustive des composés constituants les parois d'algues marines en utilisant des approches à haut débit (i.e. extractions séquentielles des composés de paroi et profilage d'oligosaccharides d’une part, et puces à oligosaccharides en collaboration avec le Prof. William Willats à Copenhague, DK d’autre part).

Axe 2. Biologie intégrative des bactéries marines associées aux algues et dégradation des polysaccharides marins

Comme tout organisme eucaryote, les macroalgues marines vivent en association directe avec des bactéries, qui colonisent leurs surfaces ou qui, pour certains, sont même intégrées dans leurs tissus pariétaux. Les bactéries marines hétérotrophes sont également reconnues comme les acteurs clés du recyclage de la biomasse algale. Cependant, les mécanismes gouvernant les interactions algues-bactéries sont encore mal connus. En effet, les voies cataboliques complètes des polysaccharides algaux, contrairement aux voies de dégradation des polysaccharides de plantes terrestres, ne sont pas encore connues dans tous leurs détails.

I. Développement de Z. galactanivorans comme bactérie marine hétérotrophe modèle

Pour pouvoir répondre à ces questions, nous développons un système modèle avec la bactérie marine hétérotrophe Zobellia galactanivorans. La plupart des Zobellia ont été isolés en association avec des macroalgues, et leur comportement varie de bactérie symbiotique à algicide. Z. galactanivorans a été isolé d'une algue rouge, Delessaria sanguinea (Barbeyron et al. 2001), pour son aptitude à dégrader la plupart des polysaccharides majeurs des macroalgues. Le projet de séquençage de son génome, que nous avons effectué ces dernières années, a confirmé sa capacité extraordinaire à dégrader de nombreux polysaccharides spécifiques des algues brunes et rouges (Hehemann et al. 2010; Rebuffet et al. 2011; Thomas et al. 2013; Labourel et al. 2014).

Nous étudions les voies cataboliques de Z. galactanivorans en utilisant des approches multidisciplinaires, tel que la microbiologie pour analyser la physiologie de la bactérie avec les polysaccharides algaux comme seule source de carbone, mais aussi la transcriptomique, comme la RT-qPCR pour l'analyse de gènes individuelles, et les puces à ADN ou le RNAseq pour des analyses à l’échelle du génome, afin d’établir des réseaux de gènes induits par chaque polysaccharide d’algue. Plus récemment, et en collaboration avec le laboratoire de Prof Mark McBride à l'Université de Wisconsin-Milwaukee (USA) nous avons réussi à transformer Z. galactanivorans. Ces premiers résultats prometteurs nous permettent de développer aussi des outils génétiques, pour l'analyse fonctionnelle in vivo des gènes impliqués dans les voies cataboliques de polysaccharides.

II. Décryptage biochimique des mécanismes moléculaires de la dégradation des polysaccharides algaux

Basé sur les données génomiques de Z. galactanivorans, nous avons déjà découvert et caractérisé de nombreuses enzymes impliquées dans l'assimilation des alginates ou des agars, par exemple. Nous continuons à caractériser de nouvelles enzymes spécifiques des polysaccharides algaux, mais nous élargissons nos analyses biochimiques aux autres acteurs protéiques impliqués dans l'internalisation et la régulation des voies cataboliques présentes en grand nombre chez Z. galactanivorans. Cet ensemble de gènes est très souvent organisé dans des structures génomiques appelées 'polysaccharide utilization loci' ou 'PUL', qui sont caractéristique des Bacteroidetes. Ces travaux de caractérisation de nouvelles enzymes du catabolisme des polysaccharides d’algues sont notamment supportés par le projet ANR Blue Enzymes (coordinateur Gurvan Michel).

III. Génomique comparative des bactéries associées aux macroalgues

Une stratégie, que nous appliquons pour faciliter l'identification de nouvelles protéines impliquées dans le catabolisme des polysaccharides, est de combiner la génomique comparative de bactéries marines avec le profilage catabolique des mêmes bactéries.  En collaboration avec Eric Duchaud (INRA, Jouy-en-Josas), nous avons récemment séquencé les génomes d'une autre espèce de Zobellia, Z. uliginosa, ainsi que d'une bactérie fucanolytique de la famille des flavobacterium, Mariniflexe fucanivorans. Dans le cadre du projet IDEALG nous allons séquencer encore d'autres bactéries isolées d'algues et identifiés pour être important dans la catabolisation des polysaccharides, tels que Z. amurkyensis, Z. laminariae and Z. russeli, M. gromovii, M. aquimaris et M. jejuense. Dans le cadre du projet ANR Blue Enzymes, ces génomes seront annotés et comparés pour établir le répertoire minimal commun pour l'utilisation de polysaccharides spécifiques; en parallèle, le profil d'utilisation des polysaccharides est déterminé pour ces bactéries, et la corrélation nous permettra d'affiner le choix de nos cibles et d'identifier encore plus d'enzymes nouvelles potentiellement impliqués dans l’assimilation des polysaccharides, pour une expression hétérologue et caractérisation biochimique.